Einflüsse der kosmischen Strahlung auf technische Systeme, den Menschen und die Umwelt

Strahlung kann elektronische Schaltungen, exponierte technische Geräte sowie auch lebende Zellen beeinträchtigen. Strahlung bedeutet hier elektromagnetische Wellen (Photonen), elektrisch neutrale (Neutronen) und geladene energetische Teilchen (Elektronen, Protonen, Heliumkerne oder Alpha-Teilchen sowie schwerere Ionen). Die Zusammensetzung der Atmosphäre kann durch die Wechselwirkung mit der Strahlung verändert werden. Insbesondere die Ionisation der Atmosphäre durch Strahlung ist von Bedeutung für den Funkverkehr z.B. zwischen Bodenstationen und Flugzeugen, da der Grad der Ionisation die Bedingungen der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Der kontinuierliche Einfall von kosmischer Strahlung und deren zeitliche Variation, z.B. durch zusätzliche solare kosmische Strahlung, kann technische Installationen und Lebewesen beeinträchtigen, falls diese nicht durch die dicke Erdatmosphäre oder durch das Erdmagnetfeld geschützt sind. Variable Bedingungen des Weltraumwetters führen zu variablen Strahlungsexpositionen.

Die natürliche Strahlungsumgebung im Weltraum kann durch zwei Populationen klassifiziert werden: die durch planetare Magnetfelder gefangenen Teilchen im Strahlungsgürtel und die Populationen der extra-planetaren Teilchen (Elektronen, Protonen und schwerere Ionen). Die extra-planetare Komponente besteht aus Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung (engl. galactic cosmic rays, GCR) und der solaren energetischen Teilchen (engl. solar energetic particles, SEP), welche mit solaren Flares und koronalen Massenauswürfen (engl. coronal mass ejections, CME) verknüpft sind. Ihre Auswirkungen auf technologische Installationen und Lebewesen werden im Folgenden beschrieben. Allgemein erhältliche Computermodelle, die Rolle von Neutronenmonitoren für die Bestimmung, sowie die Voraussage der extra-planetaren Strahlung werden ebenfalls behandelt.

Auswirkungen auf technische Installationen

Es gibt verschiedene Arten von möglichen Beeinträchtigungen durch energetische Teilchen auf die Ausstattungen von Raumfahrzeugen und sogar von Flugzeugen:

• Energetische Teilchen können Atome ionisieren und Atome innerhalb des kristallinen Verbandes verschieben. Solarzellen auf Raumfahrzeugen können aufgrund kumulierter Schädigung an Leistung verlieren. Ein grosses solares Ereignis mit energetischen Protonen kann innerhalb einiger Tage den gleichen Schaden verursachen wie die Verminderung der Leistung einer Solarzelle, welche während einem ganzen Jahr der galaktischen kosmischen Strahlung ausgesetzt war. Ionisation ist oft der dominierende Mechanismus, durch welchen die Leistung einer Solarzelle vermindert wird. Mechanische und elektrische Isolationseigenschaften von Teflon können ebenfalls verändert werden, wenn das Material einer erhöhten Bestrahlung ausgesetzt ist, zudem kann sich die Lackierung eines Raumfahrzeuges verändern, welche für die thermische Regulation eingesetzt wurde. All dies verkürzt die Lebensdauer dieser Geräte.
• In single event effects (SEE) werden mikroelektronische Bauteile durch einzelne ionisierende Teilchen beschädigt. Die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares durch ein aufprallendes energetisches Teilchen kann die elektrischen Eigenschaften einer elektronischen Schaltung verändern. Single event upsets (SEU) werden insbesondere durch schwere Ionen der primären kosmischen Strahlung oder durch sekundäre Teilchen in der Atmosphäre verursacht. Dies kann zu falschen Befehlen in Bordcomputern führen, während latch-ups anomale Zustände von elektronischen Bauteilen sind, welche nicht mehr auf Eingabesignale reagieren. Die schlimmsten Fälle von SEEs sind burn outs, d.h. eine permanente und irreversible Zerstörung des Schaltkreises durch ionisierende Teilchenstrahlung. Eine erhöhte Schadenanfälligkeit wird durch die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen herbeigeführt, wo ein einziges geladenes Teilchen in einem Baustein genügend Energie deponieren kann, so dass es zu einem SEE kommen kann.
• Auch energetische Elektronen können verschiedene Arten von Schäden verursachen. Wenn z.B. Elektronen in eine Raumsonde einschlagen und im Material der Raumsonde vollständig abgebremst werden, so kann das zu einer Entladung führen, welche sich störend auf Instrumente und Detektoren auswirkt, Ablesungen von Instrumenten störend beeinflussen und Erosion von Material bewirken kann. Die Eindringtiefe der Teilchen und die Region, wo Probleme entstehen, hängen von ihrer kinetischen Energie ab.

Die Verminderung solcher Zerstörungen beruht auf Ingenieurwissenschaften der Materialien und der Bauteilne, welche gegen die verschiedenen Arten der Zerstörung durch Teilchenstrahlen beständig gemacht werden sollen. Das Mass dieses Schutzes hängt von den Langzeitverhältnissen der kosmischen Strahlungsintensität und der Anzahl solarer Ereignisse, d.h. auf die Phase der Sonnenaktivität, ab. Die zuverlässige Voraussage dieser Intensitäten könnte helfen, die Eigenschaften von spezifischen Satelliten zu optimieren.

Das Weltraumwetter und besonders der Teilchenfluss sind aber stark variabel und kaum voraussagbar. Es gibt Zeitepochen, in denen Raummissionen gemieden werden sollten. So sollte z.B. während Zeiten eines starken energetischen solaren Teilchenereignisses auf den Start von Raketen oder auf die Mission mit Raumfahrzeugen verzichtet werden, besonders wenn die Umlaufbahn des Satelliten durch polare Gebiete führt.

Passagierflugzeuge auf polaren Routen sind ebenfalls verstärkt der sekundären kosmischen Strahlung ausgesetzt, da in diesen Regionen die primäre kosmische Strahlung wegen der kleineren Abschirmung durch das Erdmagnetfeld fast ungehindert in die Erdatmosphäre eindringen kann. Die zahlreichen Protonen mit relativ geringen Energien können bis auf eine Höhe von 50-70 km über Grund eindringen und die polare Ionosphäre ionisieren. Dieser Effekt durch solare energetische Teilchen wird polar cap absorption (PCA) genannt, weil die grössere Ionisation ein erhöhte Absorption der elektromagnetischen Wellen bei tiefen Frequenzen zur Folge hat und damit z.B. die Funkkommunikation mit Flugzeugen stört. Passagierflugzeuge senken die Flughöhe während grossen solaren kosmischen Strahlungsereignisssen (z.B. Januar 2005), um die Funkverbindung zu Flugkontrollstationen wiederherzustellen.

Die Magnetosphäre der Erde ist nicht immer ein Schild - sie kann auch eine Gefahr darstellen. Der Sonnenwind führt kontinuierlich Energie in das System, welche in explosiven Ereignissen, sogenannte magnetospheric substorms, abgebaut werden. Die Flüsse von energetischen Elektronen, welche während diesen Ereignissen innerhalb der Magnetosphäre erzeugt werden, führen zur elektrischen Aufladung von Kommunikationssatelliten. Solche Ereignisse können auch während ruhigen solaren Verhältnissen eintreffen, wenn Hochgeschwindigkeitsströme des Sonnenwindes aus koronalen Löchern zum Teil sehr effizient Energie in die Magnetosphäre der Erde führen können.

Auswirkungen auf biologische Eigenschaften

Ionisierende Teilchen der kosmischen Strahlung sind ein potenielles Gesundheitsrisiko, da die Teilchen lebende Zellen beschädigen können. Wenn ein energetisches Teilchen auf eine Zelle prallt, wird es einen Teil seiner Energie bei Wechselwirkungen mit den Elektronen der Zellmoleküle abgeben. Die Folgen dieser Wechselwirkungen hängen von der Teilchengattung sowie von der Energie des einfallenden Teilchens (Proton, Ion, Elektron, Neutron, Photon) ab. Jede Beschädigung der Zelle, namentlich der DNA, kann tiefgreifende Folgen für die Zukunft der Zelle haben. Die fehlerhafte Funktionsweise der Zelle kann das Gewebe und das Organ, in denen es eingebaut ist, beeinträchtigen.

• Eine beschädigte Zelle kann sich selber reparieren. Falls die Reparatur jedoch nicht erfolgt, wird die Zelle absterben. Falls zuviele Zellen absterben, kann das betroffene Organ nicht mehr korrekt funktionieren.
• Falls die Reparatur nicht vollständig ist und sich die Zelle danach noch weiter teilt, so wird die Zelle einige Schäden an die Tochterzellen weitergeben. Das fehlerhafte Funktionieren von zuvielen Tochterzellen kann ebenfalls zu einem bedeutenden oder sogar zum völligen Schaden des Organs führen. Defekte Zellen, welche überleben, können auch Vorläufer von Krebszellen werden.

Kosmische Strahlung kann deshalb zwei Arten von Gefahren für Lebewesen darstellen:

• Hohe Strahlendosen sind eine unmittelbare Gefahr für die Gesundheit oder sogar für das Leben. Die kosmische Strahlung ist ein Riskio für die bemannte Raumfahrt ausserhalb des Erdmagnetfeldes. Solare kosmische Strahlungsereignisse stellen deshalb eine sehr grosse Gefahr für Flüge zum Mond oder den Mars dar. Das grosse solare kosmische Strahlungsereignis vom 4. August 1972 fand im selben Zeitraum statt wie die Apollo Flüge zum Mond. Wenn ein Flug exakt während diesem Datum stattgefunden hätte, so hätte dies ernsthafte Konsequenzen haben können. Deshalb ist heute die Sicherheit der Astronauten bezüglich möglicher Gefahren durch kosmische Strahlung ein sehr wichtiger Faktor bei der Planung künftiger bemannter Flüge.
• Geringe Strahlendosen zeigen zwar keine unmittelbar bemerkbaren Konsequenzen auf die Gesundheit, jedoch können sie ein Risiko für Spätschäden darstellen. Besatzungen von Raumfahrtmissionen und sogar von Flugzeugen, welche durch Regionen mit erhöhter Strahlung fliegen, wie in hohen geographischen Breiten (polare Regionen), sind diesem Risiko ausgesetzt.

Die obenstehende Karte zeigt die auf der russischen Raumstation MIR gemessenen Strahlendosen (Experiment Nausicaa der französischen Raumfahrtbehörde CNES) während den solaren kosmischen Strahlungsereignissen im Okotober 1989, d.h. während einem Zeitraum mit erhöhter Strahlenexposition. Der Durchmesser der Kreise gibt die Stärke der gemessenen Strahlendosen an. Die Umlaufbahn von MIR, die auf einer Höhe von 420 km war und eine Inklination bezüglich des Erdäquators von 51° aufwiess, verlief durch die magnetischen Polregionen über Kanada und dem pazifischen Ozean südlich von Australien. Die erhaltenen Strahlendosen in diesen polaren Regionen sind deutlich höher als diejenigen in tieferen Breiten. Eine Ausnahme bildet die Region über dem südlichen Teil des atlantischen Ozeans, wie aus der Abbildung ersichtlich ist. Die erhöhte Strahlendosis in diesem Gebiet wurde nicht durch solare kosmische Strahlung bewirkt, sondern durch Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung, da hier die Richtung des Erdmagnetfeldes ins Erdinnere zeigt. Damit finden die um die Magnetfeldlinien spiralenden und längs den Feldlinien sich bewegende Teilchen direkten Zugang in die Erdatmosphäre.

Strahlenbelastung durch die kosmische Strahlung

Die Auswirkungen auf die Gesundheit durch die Strahlenbelastung hängt einerseits von der im Gewebe absorbierten Energie ab, diese wird ihrerseits auch von der Teilchenart, ihrer Energie und dem betroffenen Organ bestimmt. Zum Beispiel deponiert die Röntgenstrahlung ihre Energie relativ gleichförmig in einem Volumen, während die Neutronen ihre Energie aufgrund ihrer nuklearen Wechselwirkung im Gewebe nur in einem relativ kleinen Gebiet deponieren. Neutronen haben ein grösseres Vermögen eine Wirkung im Gewebe zu verursachen als hochenergetische Protonen, Elektronen oder Gammastrahlung.

In Raumstationen ist die Strahlendosisrate im Allgemeinen zwar relativ niedrig, aber wegen ihrer Akkumulation über längere Zeit, kann die erhaltene Strahlendosis doch beträchtlich sein und muss deshalb gemessen werden. Die Strahlendosis wird mit der Einheit Sievert angegeben, nach dem schwedischen Physiker Rolf Sievert (1896-1966). Die effektive Strahlendosis repräsentiert die Summe der Strahlendosen, welche in den verschiedenen menschlichen Organen absorbiert wurde. Dabei wird (1) über die verschiedenen Teilchenarten (Gewichtung (von hoch nach tief): Alphateilchen und schwere Kerne; Neutronen; Protonen; schliesslich Photonen und Elektronen); und (2) das exponierte Organ aufsummiert, wobei die Empfindlichkeit der Organe auf die ionisierende Strahlung berücksichtigt wird.

Einige typische Strahlendosen:

• Die natürliche jährliche Dosis aufgrund der Umgebungsradioaktivität beträgt etwa 2.4 mSv (1 mSv = 1 milli Sievert). Wobei dieser Beitrag stark abhängig ist vom Untergrundgestein und damit von Region zu Region stark differieren kann. Auf Meereshöhe liegt der Beitrag der kosmischen Strahlung bei etwa 0.3 mSv.
• Die Strahlenbelastung durch medizinische Röntgenaufnahmen hängt von der Stärke der Bestrahlung sowie von den bestrahlten Organen ab und liegt im Bereich von 0.1 bis einige zehn mSv.
• Die typische erhaltene Dosis durch die galaktische kosmische Strahlung während einem transatlantischen Flug (Europa-Nordamerika) liegt bei ungefähr 0.05 mSv. Diese Strahlendosis kann durch zusätzliche solare kosmische Strahlung deutlich erhöht werden. Abschätzungen haben ergeben, dass die Strahlendosis durch ein solares Ereignis für einen Transatlantikflug bis zu einem Faktor 10 erhöht sein kann. Solche solare kosmischen Strahlungsereignisse sind aber selten und die Strahlenbelastung ist nur während einer relativ kurzen Zeit erhöht, so dass die jährliche Strahlendosis dadurch nicht wesentlich verändert wird. Das Flugpersonal und Vielflieger können eine jährliche Strahlendosis bis einige mSv akkumulieren.
• Das Flugpersonal gehört zu den beruflich strahlenexponierten Personen, weshalb die Fluggesellschaften heute in den meisten Ländern aufgrund der gesetzlichen Auflagen die jährliche Strahlenbelastung des Flugpersonals bestimmen müssen. Typische Grenzwerte der Strahlendosis betragen maximal 100 mSv während 5 aufeinanderfolgenden Jahren, wobei die maximale Belastung in einem Jahr höchstens 50 mSv betragen darf. Ein schwangeres Crewmitglied sollte nicht mehr als 1 mSv während der gesamten Schwangerschaft erhalten.
• Die maximale Dosisraten der MIR/Nausicaa Messungen (siehe die grössten Kreise in obiger Karte) betragen 2 mSv/h (Höhe: 420 km über Grund).
• Ein Raumflug zum Mars würde eine Strahlendosis durch die galaktische kosmische Strahlung von etwa 1 Sv bedeuten. Dabei ist die Strahlenbelastung durch eventuelle solare kosmische Strahlung noch nicht berücksichtigt. Ausserhalb des Erdmagnetfeldes kann der Beitrag durch solare Ereignisse wesentlich höher sein als der Beitrag durch die galaktische kosmische Strahlung und kann sofort zu lebensbedrohlichen Strahlendosiswerten führen, wenn keine ausreichende Abschirmung vorhanden ist.

Da mit der effekitven Strahlendosis in Sievert die Risiken für die Bestrahlung von geringen Strahlenbelastungen (zufällige/stochastische Effekte) abgeschätzt werden, macht es keinen Sinn über Strahlenbelastungen grösser als 1 Sv zu sprechen.

Mehr Information in Englisch kann unter der Webseite (dead link) gefunden werden.

Modellierung, Messung und Voraussage von Teilchenflüssen in der Erdatmosphäre

Computerprogramme

Die Untersuchung der komplexen kosmischen Strahlungsverhältnisse im erdnahen Weltraum und deren Auswirkung auf Raumfahrtsysteme führten zur Entwicklung von empirischen oder halbempirischen Modellen durch verschiedene, meist unabhängige Organisationen. Bezüglich der kosmischen Strahlung ist CREME (Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics) von der NASA entwickelt das bekannteste und meist verbreitetste Modell. Ein anderes Modell wurde durch die ESA entwickelt und ist unter der Webeite von SPENVIS (Space Environment Information System) erreichbar.

Mit einem Modell, welches unter SPENVIS erhätlich ist, können Teilchenspektren für alle Elemente des Periodensystems, vom Wasserstoff bis zum Uran, der galaktischen kosmischen Strahlung im Energiebereich von 1 to 10,000 MeV/Nukleon vorausberechnet werden. Das Energiespektrum der galaktischen kosmischen Strahlung wird in ein linear energy transfer (LET) Spektrum umgewandelt, welches ein wichtiger Parameter für die Abschätzung der Risiken von mikroelektronischen Komponenten im Weltraum darstellt. Damit lassen sich auch die Anzahl von SEUs abschätzen.

Ein Anwendungsbeispiel des SPENVIS Programms für die Berechnung von LET Spektren ist in nebenstehender Figur für einen Satelliten auf einer geostationären Umlaufbahn im Zeitintervall 14.-18. Juli 2005 aufgezeichnet. Es werden die folgenden Fälle berücksichtigt: galaktische kosmische Strahlung (GCR; M=1), 90% ungünstigster Fall des kosmischen Strahlungslevels (M=3), GCR und einfach ionisierte anomale Komponente der kosmischen Strahlung (M=4), mittlerer solarer kosmischer Strahlungsfluss während einem solaren Ereignis und mittlere Zusammensetzung GCR (M=5), mittlerer solarer kosmischer Strahlungsfluss und schlimmster Fall der Zusammensetzung GCR (M=6), 10% schlimmster solarer kosmischer Strahlungsfluss und mittlere Zusammensetzung GCR (M=7) und schlimmster Fall bei solarer und galaktischer kosmischen Strahlung (M=12).

Messung und Voraussage des kosmischen Strahlungsflusses mit Hilfe von Neutronenmonitoren

Neutronenmonitordaten sind Schlüsselelemente bei der Messung und der Voraussage der extraplanetaren kosmischen Strahlung:

• Ein Netzwerk von einigen Neutronenmonitorstationen mit zeitlich hochauflösenden Messdaten in Echtzeit ermöglicht den Aufbau eines Warnsystems, welches die Ankunft eines gewaltigen Teilchenflusses bei geringen Energien - einige zehn bis einige hundert MeV - bei der Erde einige Minuten bis einige 10 Minuten voraussagen kann.
• Neutronenmonitordaten ermöglichen die Berechnung von Teilchenstrahlung in Erdnähe und in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre. Neutronenmonitore geben wichtige Informationen zur Bestimmung der Wechselwirkungen der galaktischen kosmischen Strahlung mit den verschiedenen Plasmen und den magnetischen Feldern in der Heliosphäre und können ebenfalls Hinweise auf sich der Erde nähernde interplanetare Störungen geben. Im Gegensatz zu Satelliten wird der Betrieb der Neutronenmonitore durch solche Ereginisse nicht beeinflusst.

Wie für Arbeiter in Kernkraftwerken oder Mitarbeiter, welche in Krankenhäusern mit Röntgengerätenn arbeiten, muss die Strahlenbelastung für das Flugpersonal bestimmt werden (Europäische Direktive aus dem Jahre 1996, welche in die nationale Gesetzgebung übernommen wurde). Neutronenmonitordaten bilden die Grundlage zur Bestimmung des einfallenden kosmischen Strahlungsflusses, welche dann mit Hilfe von empirischen Modellen in Strahlendosisraten umgerechnet werden.